Ответы на контрольные вопросы.
1. Критериальные уравнения теплоотдачи при ламинарном и турбулентном течении жидкости в трубах.
Количество теплоты, отдающееся с поверхностей нагретых частей электрических аппаратов, в основном зависит от условий конвективного теплообмена, поэтому большое значение имеет умение правильно рассчитать количество теплоты, отводимого конвекцией. Для этой цели используют критериальные уравнения, полученные на основе рассмотрения подобных явлений. Для решения задач данного параграфа используются следующие расчетные формулы и соотношения.
Критериальное уравнение (при ламинарном и турбулентном потоке) конвективной теплоотдачи в общем виде:
Nu = ƒ(Gr, Pr, Re, Fo)
где Nu, Gr, Pr, Re и Fo - соответственно критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса и Фурье
2. Критерии Nu, Re, Pr, Gr, их выражение и физическое толкование.
Число Грасгофа (Gr) — критерий подобия, определяющий процесс теплообмена при свободном движении в поле гравитации и являющийся мерой соотношения архимедовой (подъёмной) силы, вызванной неравномерным распределением плотности в неоднородном поле температур, и силами межмолекулярного трения.
Число Прандтля (Pr) — один из критериев подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплоотдачу:
Число Прандтля — физическая характеристика среды и зависит только от её термодинамического состояния.
Число, критерий Рейнольдса (Re) — безразмерная величина, характеризующая отношение нелинейного и диссипативного членов в уравнении Навье — Стокса. Число Рейнольдса также считается критерием подобия течения вязкой жидкости.
Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:
Для
каждого вида течения существует
критическое число Рейнольдса, Reкр,
которое, как принято считать, определяет
переход от ламинарного течения
к турбулентному.
При 
течение
происходит в ламинарном режиме,
при 
возможно
возникновение турбулентности. Критическое
значение числа Рейнольдса зависит от
конкретного вида течения (течение
в круглой трубе, обтекание
шара и т. п.),
различными возмущениями потока, как-то
изменение направленности и модуля
вектора скорости потока, шероховатость
стенок, близость местных сопротивлений
и др.
Число Нуссельта (Nu) — один из основных критериев подобия тепловых процессов, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и нтенсивностью теплообмена за счёт теплопроводности (в условиях неподвижной среды). Названо в честь немецкого инженера Вильгельма Нуссельта:
3. Среднелогарифмический напор для теплообменника типа «труба в трубе» при прямотоке и противотоке.
или
Такое значение температурного напора называется среднелогарифмическим и часто в литературе обозначается Δtлог.
Точно таким же образом выводится формула осреднения температурного напора и для противотока. Отличие лишь в том, что в правой части уравнения (г) следует поставить знак минус, и поэтому здесьm=1/W1 - 1/W2. Окончательная формула для среднего логарифмического температурного напора при противотоке имеет вид:
4.
Физический смысл коэффициентов
и χ.
Коэффициент пропорциональности — коэффициент теплоотдачи (англ.) - плотность теплового потока при перепаде температур на 1K, измеряется в Вт/(м²·К). В реальности он не всегда постоянен и может даже зависеть от разности температур, делая закон приблизительным. Если рассматривать тепловой поток как вектор, то он направлен перпендикулярно площадке поверхности, через которую протекает.
— количество теплоты, отдаваемое с 1 м² поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре. Он зависит:
от вида теплоносителя и его температуры;
от температуры напора, вида конвекции и режима течения;
от состояния поверхности и направления обтекания;
от геометрии тела.
Поэтому — функция процесса теплоотдачи; величина расчётная, а не табличная; определяется экспериментально.
Эквивалентная запись:
χ — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью), отношение теплового потока dqчерез малый элемент поверхности к площади dS этой поверхности называют поверхностной плотностью теплового потока.